基于Simulink的車輛橫向控制模型軟件的參數(shù)分析

邢海濤　梁威

關(guān)鍵詞：定速巡航;MPC;Simulink

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言（Introduction）

各種輔助駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，使得汽車的行駛更加安全高效。自動駕駛汽車的自動緊急制動、前后碰撞預(yù)警、變道輔助、盲區(qū)檢測、自適應(yīng)巡航和車道居中保持等功能的實(shí)現(xiàn)都依賴于汽車軟件的控制[1-7]。其中，MPC算法可以單獨(dú)使用進(jìn)行軌跡控制，或者用于提升汽車控制的穩(wěn)定性和抗干擾性，也可以結(jié)合模糊控制用于汽車的路徑跟蹤[8-12]。

汽車底層的控制軟件直接與汽車的硬件相關(guān)聯(lián)，并在汽車行駛途中計算出理想的前輪轉(zhuǎn)角角度，用于控制汽車的方向盤轉(zhuǎn)動，控制軟件性能對汽車的安全行駛具有重要影響;而軟件的性能又是由算法中不同參數(shù)共同決定的，所以本文采用Simulink軟件建立汽車橫向控制模型，著重分析車輛動力學(xué)MPC算法中不同參數(shù)對車輛控制性能的影響。

3 結(jié)果與討論（Results and discussion）

如圖3所示，其中曲線圖為只改變控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)大小時的仿真結(jié)果。如圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）所示的汽車設(shè)置車速為10 m/s，如圖3（d）、圖3（e）和圖3（f）所示的汽車設(shè)置車速為20 m/s。

如圖3（a）所示的前輪轉(zhuǎn)角結(jié)果圖中，PID控制的前輪轉(zhuǎn)角突變?yōu)樽畲螅谕粫r刻的峰值是其對應(yīng)的MPC控制的前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)為1的峰值的2倍左右。當(dāng)車輛處于直道或者處于彎道時，PID控制和MPC控制效果差別不大。當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)縮小到原來的1/10時，在圖3（a）中能夠清晰地看到前輪轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)動范圍變小。仿真曲線在直道上表現(xiàn)良好，但進(jìn)入彎道后會在一個極短時間內(nèi)有一個巨大的突變，表現(xiàn)為車輛方向盤的抖動以及車身的橫向搖擺，此搖擺會極大地影響車內(nèi)駕駛?cè)藛T的駕乘感受，并且增大車輛失控的風(fēng)險。從圖3（b）和圖3（c）中也能夠明顯地看出，當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)縮小到原來的1/10時，汽車由直道進(jìn)入彎道后，車輛的橫向偏差和航向角偏差會變大，導(dǎo)致車輛處在彎道時出現(xiàn)橫向偏移現(xiàn)象。當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)放大10倍時，觀察圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）的曲線沒有明顯的變化，即代表控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)放大時不會對車輛控制效果產(chǎn)生明顯的影響。

當(dāng)把車輛的速度設(shè)置為20 m/s時，以同樣的條件改變控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)的大小，結(jié)果如圖3（d）、圖3（e）和圖3（f）所示。此時，PID控制和控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)為1的MPC控制效果差別不大，并且在車輛進(jìn)入彎道后，PID的控制效果比MPC的控制效果要好得多，其能夠快速地收斂，趨近于0。當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)縮小到原來的1/10時，其出現(xiàn)了與圖3（a）相同的變化，并且有兩次短時間的巨大突變，表現(xiàn)為車輛方向盤抖動兩次以及發(fā)生兩次車身橫向搖擺，但是抖動和搖擺幅度小于圖3（a）曲線的變化幅度。圖3（e）和圖3（f）中的峰值也不如圖3（b）和圖3（c）的大。當(dāng)控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)放大10倍時，仿真結(jié)果與車速為10 m/s時的曲線一樣，沒有明顯的差別。

如圖4所示，曲線變化為只改變橫向偏差期望參考系數(shù)大小時的仿真結(jié)果。

如圖4（a）所示的前輪轉(zhuǎn)角結(jié)果圖中，PID控制的前輪轉(zhuǎn)角峰值依舊最大。橫向偏差期望參考系數(shù)為1.5時，為初始的默認(rèn)值，將橫向偏差期望參考系數(shù)更改為1時，可以觀察到其峰值明顯比橫向偏差期望參考系數(shù)為1.5時要小，但其收斂進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的速度要慢得多，并且會在直道行駛的末端，進(jìn)入彎道之前出現(xiàn)極短時間前輪轉(zhuǎn)角突變的現(xiàn)象，但幅度不大，表現(xiàn)出一定的橫向偏移現(xiàn)象，從圖4（b）中也可以明顯地看到橫向偏差期望參考系數(shù)為1時，車輛的橫向偏差最大。當(dāng)增大橫向偏差期望參考系數(shù)為2時，可以看到其峰值相比橫向偏差期望參考系數(shù)為1.5時明顯變大，但是其收斂的速度要快速一些。如圖4（c）所示，減小橫向偏差期望參考系數(shù)值，航向角偏差峰值減小，收斂變慢;增大橫向偏差期望參考系數(shù)值，收斂速度增快。

當(dāng)把車輛的速度設(shè)置為20 m/s時，以同樣的條件改變橫向偏差期望參考系數(shù)的值。圖4（d）出現(xiàn)的曲線變化與圖4（a）大致相同，但其車速的增大，使得比橫向偏差期望參考系數(shù)為1時的前輪轉(zhuǎn)角出現(xiàn)突變現(xiàn)象的幅度要大一些，即橫向偏移遠(yuǎn)一些。仿真曲線收斂速度慢，在整個階段的曲線波動要比其他情況穩(wěn)定一些，如圖4（f）所示。橫向偏差期望參考系數(shù)為2時，雖然收斂速度快，但是增加了車身的不穩(wěn)定性，圖4（d）、圖4（e）和圖4（f）中的曲線會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。

如圖5所示，其中曲線變化為只改變橫向偏差變化率期望參考系數(shù)大小時的仿真結(jié)果。

如圖5（a）所示的前輪轉(zhuǎn)角結(jié)果圖中，橫向偏差變化率期望參考系數(shù)為0.1時為初始的默認(rèn)值。更改橫向偏差變化率期望參考系數(shù)為0.05，可以看到圖5（a）、圖5（b）和圖5（c）中曲線均出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象且曲線也有一定的超調(diào)。更大的橫向偏差變化率期望參考系數(shù)為0.15，其表現(xiàn)要比橫向偏差變化率期望參考系數(shù)變小時更加穩(wěn)定，對整個車身的控制也更加穩(wěn)定，但是處在彎道時會一直存在一定的車身橫向偏移現(xiàn)象。

當(dāng)把車輛的速度設(shè)置為20 m/s時，以同樣的條件改變橫向偏差變化率期望參考系數(shù)時，無論是增大還是減小，均會出現(xiàn)超調(diào)和振蕩現(xiàn)象，所以在車輛高速行駛時，需要慎重調(diào)整此參數(shù)的大小。

如圖6所示，其中曲線變化為只改變航向角偏差期望參考系數(shù)大小時的仿真結(jié)果。

如圖6（a）所示的前輪轉(zhuǎn)角結(jié)果圖中，航向角偏差期望參考系數(shù)的值為2時為初始的默認(rèn)值。無論增大還是減小此參數(shù)，其前輪轉(zhuǎn)角和航向角的曲線相差無幾，不同之處在于橫向偏差。當(dāng)將航向角偏差期望參考系數(shù)減小為0.1時，其橫向偏差曲線的峰值會變大，但是其在彎道的偏差值最終將變?yōu)?;當(dāng)增大航向角偏差期望參考系數(shù)為10時，其橫向偏差曲線的峰值會明顯降低，但是其處在彎道行駛的車輛會有一定的橫向偏移。

把車輛的速度設(shè)置為20 m/s時，以同樣的條件改變航向角偏差期望參考系數(shù)。當(dāng)航向角偏差期望參考系數(shù)增大為10時，除了橫向偏差曲線的峰值會降低，還會看到曲線出現(xiàn)明顯的振蕩現(xiàn)象，如圖6（d）、圖6（e）和圖6（f）所示，此時意味著車輛行駛途中對車身的控制非常不穩(wěn)定。當(dāng)減小航向角偏差期望參考系數(shù)時，仿真曲線的表現(xiàn)與車速設(shè)置為10 m/s時一致。

如圖7所示，其中曲線的變化為只改變航向角偏差變化率期望參考系數(shù)大小時的仿真結(jié)果。當(dāng)車速為10 m/s時，增大航向角偏差變化率期望參考系數(shù)，其對應(yīng)的橫向偏差和航向角偏差的峰值會變大;而減小航向角偏差變化率期望參考系數(shù)，其變化幅度不大。當(dāng)車速為20 m/s時，增大航向角偏差變化率期望參考系數(shù)，其曲線會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，如圖7（d）、圖7（e）和圖7（f）所示，意味著車身控制不穩(wěn)定;而減小航向角偏差變化率期望參考系數(shù)時，仿真曲線的表現(xiàn)與車速為10 m/s時的情況相同。

從圖3、圖4、圖5、圖6和圖7可知，突變均發(fā)生在直線車道200m處。分析其原因可知，是車道線的三次多項式擬合引起的。三次多項式在進(jìn)行車道線擬合時，是對車輛攝像頭和雷達(dá)可視范圍內(nèi)的整個車道線進(jìn)行擬合，其擬合的系數(shù)受整個車道線的整體影響。當(dāng)車輛在直線車道時，三次多項式擬合的車道線系數(shù)的三次項系數(shù)和二次項系數(shù)均趨近于0;一次項系數(shù)受汽車的航向角影響，只有當(dāng)車輛前進(jìn)方向和車道線平行時，值為0;在正常行駛的情況下，只有常數(shù)項不為0。當(dāng)直線車道的末端為彎道時，車輛的攝像頭和雷達(dá)檢測到的車道線勢必是一段直線段加一段圓弧線段組成的車道線，三次多項式對此進(jìn)行擬合時，受圓弧車道線的影響，擬合出來的多項式系數(shù)勢必與之前單純的直線車道線不同，雖然此時車輛仍舊處于直線車道內(nèi)，但是隨著車輛越來越靠近彎道，擬合的4個系數(shù)與車輛在直線車道行駛時的擬合系數(shù)的差距越來越大，直到車輛完全進(jìn)入彎道時才會逐漸恢復(fù)正常。

4 結(jié)論（Conclusion）

本文通過建立車輛橫向控制的閉環(huán)仿真模型，模擬了車輛在車道上開啟定速巡航功能時的情景，通過改變相應(yīng)參數(shù)探究其對車輛的影響?；谠撃Ｐ蛙浖?，研究人員對車輛橫向偏差期望參考系數(shù)、橫向偏差變化率期望參考系數(shù)、航向角偏差期望參考系數(shù)、航向角偏差變化率期望參考系數(shù)和控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)進(jìn)行研究。通過閉環(huán)仿真實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，減小控制前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)值，會增加車輛的橫向偏差和航向角偏差，進(jìn)而增大車輛失控的風(fēng)險;當(dāng)?shù)缆返那矢淖儠r，輕微調(diào)整橫向偏差變化率期望參考系數(shù)，增大航向角偏差期望參考系數(shù)和航向角偏差變化率期望參考系數(shù)會引起車輛橫向偏差和航向角偏差曲線的振蕩。以上研究表明，前輪轉(zhuǎn)角約束系數(shù)是車輛開啟功能后能否安全行駛的關(guān)鍵，而其他4個參數(shù)則可以極大地改善車輛的性能，適當(dāng)對其進(jìn)行調(diào)整，可以增強(qiáng)車輛行駛時車身的穩(wěn)定性。

作者簡介：

邢海濤（1997-），男，碩士生。研究領(lǐng)域：自動駕駛算法，汽車應(yīng)用軟件開發(fā)，聲表面波的應(yīng)用。

梁威（1985-），女，博士，副教授。研究領(lǐng)域：聲表面波傳感器與激發(fā)器的檢測和控制。